14.00R24NHS港口專用全鋼工程機械子午線輪胎的設計

王若飛，崔志武，王曉娟，陳 宇，宋朝興

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，內(nèi)外貿(mào)港口運輸需求增大，港口集裝箱吞吐量相應遞增，港口的生產(chǎn)作業(yè)模式也在發(fā)生改變，港口機械逐步向多樣化、大型化、無人化等領域發(fā)展[1]。港口集裝箱堆高機以通用叉車技術為基礎，集成了部分起重功能，主要用于集裝箱的搬運和堆垛作業(yè)，具有可頻繁轉向與制動、機動靈活、操作簡單等特點。

本工作主要介紹專為港口集裝箱堆高機開發(fā)的14.00R24NHS港口專用全鋼工程機械子午線輪胎（簡稱14.00R24NHS專用輪胎）的設計。

1 技術要求

根據(jù)《中國輪胎輪輞氣門嘴標準年鑒》規(guī)定及客戶需求，14.00R24NHS專用輪胎的主要技術參數(shù)為：輪輞 10.00W，充氣外直徑（D′） 1 420（1 396～1 444） mm，充氣斷面寬（B′） 388（364～401） mm，負荷 14 100 kg，標準充氣壓力1 000 kPa。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

D和B的大小取決于輪胎的充氣尺寸及其膨脹率，充氣尺寸根據(jù)市場需求及國家標準確定。影響膨脹率的因素有輪胎帶束層結構（鋼絲簾線種類、帶束層厚度和角度）、花紋深度、材料模量等。本工作根據(jù)相同系列規(guī)格產(chǎn)品的膨脹率取平均值，選取外直徑膨脹率（D′/D）為1.007，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.055，本次設計D為1 410 mm，B為368 mm。

需要注意的是，該產(chǎn)品適配車型存在前部輪胎雙胎并裝的現(xiàn)象，需考慮負荷下斷面寬及雙胎間距配合的問題，以避免并胎風險。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h決定了胎冠曲率半徑的大小，從而影響輪胎接地印痕的形狀。胎冠曲率半徑太大，胎冠區(qū)域接地壓力分布更趨向于胎肩，輪胎使用過程中會出現(xiàn)磨肩的情況；胎冠曲率半徑太小，輪胎使用過程中會出現(xiàn)磨冠的情況。因此，b和h的取值對輪胎的接地印痕形狀、接地壓力及其分布有著決定性的作用，對成品輪胎的制動性能、耐磨性能以及生熱性能影響較大[2]。

本次設計產(chǎn)品為港口專用，轉向頻繁，所以接地印痕的目標形狀為橢圓形，h應取偏大的值，同時考慮超加深花紋的生熱情況，b應取偏小的值，參數(shù)選擇對輪胎耐磨性能的負面影響從提升港口輪胎專用胎面膠配方的抗切割性能方面來解決。本工作根據(jù)相同系列規(guī)格產(chǎn)品的設計經(jīng)驗，b/B取0.871，h/斷面高（H）取0.049 8，H為400 mm，本次設計b為320 mm，h為20 mm。

2.3 胎圈著合寬度（C）和著合直徑（d）

C和d是影響輪胎裝配性能的重要參數(shù)，應在防止輪胎漏氣、滑移和易裝卸方面進行綜合考慮。其中C要比輪輞標定寬度大0～25.4 mm（0～1英寸），對于子午線輪胎，適當增大C，在輪胎充氣后，其應力應變會往胎肩方向移動，減小胎圈損壞的風險[3]，同時需要考慮到C/B的增大會使B′/B增大，結合設計經(jīng)驗，本次設計C為274 mm。

d的選取主要考慮輪輞類型和標定直徑，本產(chǎn)品推薦輪輞為平底輪輞，輪輞標定直徑可拆卸端大小為609.6 mm，固定端大小為612.8 mm，本次設計d為610 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

H1/H2表示胎側區(qū)域變形最大的位置，即負荷下斷面寬的測量位置，其中H1表示水平軸下方斷面高度（水平軸至胎踵垂直距離），H2表示水平軸上方斷面高度（水平軸至胎冠中心垂直距離）。負荷狀態(tài)下，最大變形位置低于水平軸位置，則胎圈部位應力應變更大，輪胎使用過程中易出現(xiàn)胎圈裂、趾口爆等缺陷；最大變形位置高于水平軸位置，則胎肩部位應力應變更大，輪胎使用過程中易出現(xiàn)肩空等缺陷[4]。本工作參考相同系列規(guī)格產(chǎn)品的設計經(jīng)驗，H1/H2取0.739 1，H1為170 mm，H2為230 mm。輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

根據(jù)《中國輪胎輪輞氣門嘴標準年鑒》和輪胎的行駛里程、使用壽命需求，胎面花紋采用超加深塊狀花紋設計，花紋深度為64 mm，花紋飽和度為72.2%，花紋周節(jié)數(shù)為28，增加花紋磨耗標志，花紋主要特點為高飽和度、牽引力強、防側滑性能出色。

胎面花紋展開如圖2所示。

3 施工設計

3.1 胎面

胎面設計考慮部件厚度及擠出設備能力，為滿足擠出胎面工藝通過性要求，對胎面進行了3層拆分設計和擠出（見圖3），對比胎面纏繞工藝，可有效釋放成型產(chǎn)能。

圖3 胎面結構示意

3.2 胎體和帶束層

根據(jù)驅動輪負荷能力要求，本次設計胎體鋼絲簾線采用3＋9＋15×0.225ST，可滿足強度、高耐疲勞和耐磨性能的要求。

根據(jù)使用工況，帶束層結構采用4層鋼絲簾布疊式排列設計。其中1#帶束層是過渡層，鋼絲簾線采用3＋9＋15×0.175＋0.15HT，角度為60°，方便胎體鋼絲簾線與工作層角度的過渡，減小帶束層的層間剪切力和防止帶束層層間脫層，密度為低密度（46根·dm-1），可以進一步保證帶束層與胎體的粘合強度，保證安全倍數(shù)；2#和3#帶束層為工作層，是保證帶束層剛性和箍緊作用的主要結構，鋼絲簾線采用高模量的3＋9＋15×0.220＋0.15HT，角度為20°，有效提高了帶束層對胎體的箍緊作用，同時提升了產(chǎn)品的承載能力，考慮帶束層的安全倍數(shù)及膠料與鋼絲簾線的附著，密度為58根·dm-1；保護層為最靠近胎面的一層，本次設計保護層鋼絲簾線采用高伸長率和高抗沖擊型的3×7×0.20HE，角度為16°，密度為40根·dm-1，這種結構不僅能避免石塊等雜物直接刺穿工作層，而且有利于增大胎面與帶束層的附著力。運用彼德爾曼公式[5]計算，帶束層安全倍數(shù)為11.8，滿足設計要求。

3.3 胎圈

鋼絲圈采用常見的六邊形結構，鋼絲直徑為2.03 mm，覆膠鋼絲直徑為2.30 mm，排列方式為8-13-8。胎圈安全倍數(shù)為4.6。

3.4 胎圈加強層

與斜交輪胎相比，全鋼工程機械子午線輪胎的胎圈結構比較復雜，為了避免應力集中，需要綜合考慮各部件端點的位置，防止因端點重合導致胎圈部位出現(xiàn)早期損壞。

考慮到超加深花紋對整個冠部區(qū)域的加強作用，為保證輪胎最大變形處于水平軸位置，本次設計胎圈部位增加了鋼絲包布的補強結構，鋼絲包布鋼絲簾線選擇3×7×0.20HE，內(nèi)外端點進行錯開設計。

3.5 成型

成型設備采用了天津賽象科技股份有限公司生產(chǎn)的一次法兩鼓/三鼓成型機，胎體鼓周長為1 770 mm，設備滿足成型過程中各參數(shù)（平寬、定型寬、輔鼓周長等）的設計要求。

3.6 硫化

硫化設備采用2 235.2和2 413.0 mm（88和95英寸）蒸鍋式硫化機。硫化條件為：蒸汽溫度 145℃，總硫化時間 320 min。硫化膠囊 RB12004，膠囊拉伸高度 835 mm，預定型高度 570 mm，定型高度 590 mm。

4 有限元仿真優(yōu)化

通過有限元仿真技術對輪胎設計方案進行優(yōu)化[6]，充氣輪廓分析結果（取1/2輪胎）如圖4所示，優(yōu)化后的輪胎接地印痕及接地壓力分布如圖5所示。

圖4 輪胎充氣輪廓分析結果

圖5 優(yōu)化后的輪胎接地印痕及接地壓力分布

從圖4可以看出，通過有限元仿真優(yōu)化，輪胎充氣輪廓滿足設計要求。

從圖5可以看出，輪胎接地印痕形狀趨于橢圓形，接地壓力分布均勻，設計方案滿足要求。

5 成品性能

5.1 外緣尺寸

輪胎裝配標準輪輞，標準充氣壓力為1 000 kPa，按照GB/T 521—2023進行測試，測得D′為1 418 mm，B′為386 mm，成品輪胎外緣尺寸滿足標準要求。

5.2 物理性能

成品輪胎胎面膠的物理性能如表1所示。

表1 成品輪胎胎面膠的物理性能測試結果

從表1可以看出，成品輪胎胎面膠的物理性能滿足標準要求。

5.3 靜負荷性能

根據(jù)成品輪胎的室內(nèi)測試結果，輪胎靜負荷半徑、負荷下斷面寬與負荷的關系曲線如圖6所示。

圖6 輪胎靜負荷半徑、負荷下斷面寬與負荷的關系曲線

采用多項式擬合圖6中靜負荷半徑和負荷下斷面寬隨負荷變化的曲線方程（y1為靜負荷半徑，y2為負荷下斷面寬，x為負荷）如下：

根據(jù)式（1）和（2）建立數(shù)學模型，用于輪胎靜負荷性能的分析和研究，結果均滿足設計要求。

6 結語

14.00R24NHS專用輪胎工藝通過性高，成品輪胎室內(nèi)性能滿足國家標準及相應設計要求。該產(chǎn)品已批量投入市場，市場反饋良好，完善了我公司港口專用輪胎產(chǎn)品系列。